（农业机械化工程专业论文）有机肥撒施机肥箱的仿真分析与试验研究.pdf

有机肥撒施机肥箱的仿真分析与试验研究 摘要 随着我国经济改革的不断深入，促进了养殖业的蓬勃发展。然雨养殖业所产 生的大量排泄物却给环境卫生带来了很大的压力，长期堆制的畜禽粪便便滋生大 量的苍蝇蚊虫，带着各种病菌到处传播，给养殖业安全及从业人员健康均带来严 重的威胁。而另一方面，化肥在农业生产中的大量使用，虽然农产品产量有了很 大的提高，但也带来诸如农产品品质下降、土壤板结、污染水源等问题，而要解 决这些问题最根本的办法是增加土壤有机质。特别是八世后，对农产品的品质提 出了更高的要求，这些都给有机肥创造了巨大的市场空间。 有机肥不仅提供了庄稼生长所需要的多种营养元素，而且增加了土壤中有机 物的含量，改进了土壤的耕作结构。合理撒施有机肥还可以改善农业大气环境、 水环境、生物环境。 针对不同的有机肥应采用不同的撒旋设备，有机肥撤施机国外已经有了系列 产品，可以对不同形式的有机肥进行撒施。而国内还是采用传统式的人力撒施， 对有机肥撒施机的研究才刚开始。应用有机肥撤施机可以改善劳动者的工作环 境，减轻有机肥撤施作业的劳动强度，提高撒施的均匀度，提高农民施用有机肥 的积极性，施用有机肥是促进农业生态平衡和农业可持续发展战略的重要内容。 本文首先通过理论分析得出保证肥箱顺畅下料的最小倾角和最小开口尺寸， 为仿真模拟提供了基础的离散元法分析模型，从而实现了计算机的模拟仿真过 程。本文采用的是基于离散元法的数字化分析设计软件系统，采用该软件分析有 机肥撒施机肥箱的卸料过程时，首先应建立肥箱的分析模型，该软件采用了由肥 箱c a d 模型建立其离散元法分析模型的方法对肥箱的卸料过程进行模拟。之后， 通过制作试验台，进行台架试验，通过测试和分析试验数据，初步明确了肥箱的 各个参数对排料均匀性的影响程度，并且通过试验找到了影响排料均匀性的主要 影响因素为：肥箱开口尺寸，肥箱倾角，肥箱的形状。采用上：，( 3 ”j 正交表进行 正交试验，以排料的均匀性为试验指标。最后把仿真分析结果与试验结果进行比 较，通过比较分析可知，离散元法分析的仿真结果与试验结果变化趋势一致。 通过对试验结果的分析可知因素c ( 开口尺寸) 、b ( 肥箱倾角) 的f 值都大 于f o 。= 8 0 2 ，因此因素c 、b 对指标的影响显著，作出这个判断的可信度为9 9 。丽因素a ( 肥箱形状) 的f 值小于f 。= 3 0 1 ，因此因素a 对指标的影响不显 著，这个判断的可信度为7 5 。影响撒肥均匀性因素主次是：肥箱的开口尺寸、 肥箱的倾角、肥箱的形状，最优参数组合是倾角为6 5 0 、开口尺寸为2 c m 、形状 为方形。 本文对水平圆盘式固体有机肥撒施机的肥箱进行了试验研究。通过对有机肥 撒旋机肥箱各个参数的试验研究，得出各参数的最佳组合方案，为有机肥撤施机 的研制奠定了基础。 关键词：有机肥均匀度离散元法数字化设计 t h ee m u l a t i o n a ia n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y f o rb o xo fm a n u r es d r e a d e r a b s t r a c t t h er u r a le c o n o m i c sg e tr a p j dd e v e l o p m e n tw i t hc 衄t i 玎u o u sd e e po fe c o n o m i cr e f o m li n o u rc o u n t r y ，a tt h es 啪et i m e ，i ta l s op m m o t ev i g o m u sd e v e l o p m e n to fa q u a c u l t u t e h o w e v e lt h e l a 唱ef a e c e st h a ta q u a c u l t u r em a i ( eb r i n gb i gp r e s s u r et 0e n v i f o 啪e n th y g i e n i s m ，t h ee x c r e m e n to f l i v e s t o c ka n db i r d st h a ta r em a d e1 0 n gt e n nm u l t i p i ym a n yn ya r i dm o s q u i t ot h a ts p r e a d e v e r y w h e r ew i t ha k i n d so fb a c t e r i a s ，w h i c hb r i n gs e r i o u st h r e a 把nt oa q u 蕊u l t u r es a f 乱ya n d p r a c t i t i o n e r sh e a i t h yo nt h eo t h e rh a n d ，t h e 凫r t i 】j z e rj sl l s e dl a 电e i yi na g r i c u i t u r a lp r o d u c t i o n ， a l t h o u g ho u t p u to fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t si m p m v eg r e a t l y ，i ta l s ob r i n g sa1 0 io fp r o b j e m ss u c ha s d e c l i n eo fq u a i i t yf o ra 掣i c u l t u r a lp r o d u c t s ，h a r d e n e d 柚di m p e r v i o u ss o i l ，p o l l u t e dw 融e r h e a d w h i c ha r ec a u s e db yl a c ko fo 略a n i cm a t e r i a if b rs o i ll o n g 矗m ea n de x c e s s i v eu s eo ff e n i l i z e t h e b a s i cm e t h o ds o l v i n gt h e s ep r o b j e m si sr e d u c l n gu s eq u a n t i t yo ff b r i l i z e ra n di n c r e a s i n go 曙a i l i c m a t e r i a lo fs o i i s p e c 瑚1w i t hi m p r o v e m e n to fp e o p l ei i f el e v e la n dn e e dt h a ta g r i c u i n 训p r o d u c t s r e p l y i n t e m a t i o n a lc o m p c t i t i o n _ no u rc o u n n mw h i c hp u tf o n v a r de v e nh j g h e rd e m a n do n a g r i c u l t u r a ip m d u d sq u a i 吼t h e s ec r e a t i v eh u g em a r c k e ts p a c ef o rm a n u r e m 粕u r en o t 彻l yp m v i d em a r l yn u t e n te l e m e n tt h 砒b o o s tg r o w t l lo fc r o p b u ta l s or a i s e c o m e n to fs o 订o r g a n j cm a t e r i a l ，m e n df a r m i n gc o n s 打u c t i o no fs o i l b r o a d c a s t i n gm a r i u r e r e a s o n a b l yc a ni m p r o v ea g r j c u l t u r a la t m o s p h e r ec o n d i c n o n ， w a t e rc o n d i t i o na n db i 0 1 0 9 y c o n d i t i o n w es h o u i da d o p td i 施r e n ls c a 仕e re q u i p m e n ta i ma td 陆r e n tm a n u r e 1 1 1 e r ea r em a n y t y p e sm a n u r es p r e a d e rt h a tc a ns c 础e rd i 骶r e n t 母p e so f m 挪u 他i nt h ef b r e i nc o u n t 啊b u t 协c h i n a w es t i l la d o p tm a n u a ls p r e a d 心a d j t i o n a l l yu s eo fm a n u r es p r e a d e rc a nm e l i o r 砷et h ew o r k c o n d i t i o n ，r e d u c en l ew o r ki n t e n s i t y ，i m p r 州et h eu n i f o r r n 畸艄dm ee n t l l u s i a s mo f f h r h l e r s ，a n di t i sv e r yi m p o r t 舳tc o n t e n tf o rt h ef 椭i n ge c o l o g i c a ib a l a l l c e 锄df 孤h l gc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n t s t r a t a g e m ， f i r s tt h j sa n i c l ee l j c i ti h el e 器to b l i q u i i ya n do u t l e td i m e n s j o nt i l r o u g ht h c o i ya n a l y s sa 1 1 d f o m l u l a 印e c u l a t i o n a t 山es a m e t i m e ，t h i s o 行e r sb 越a 1d e ma n a l y s i sm o d e lf o r s i m u l a t i o n ，t h e r e b y ，r e a i i z i n gc o m p u t e rs j m u l8 t l o np r o c e s s t h i sa c l eu s et h es o f t w 龃es y s t e mo f d i g j t a ld e s i g n w h e na n a l y s i n gt h eu n j o a d i n gp r o c e s so ft t l e m a n u r es p r e a d e rb o xw i t ht h i s s 0 矗w a r e ，f i r s tw es h o u l du s ec a db o xt ob u i l dd e ma n a l y s i sm o d e l t h e n ，w em a k et h et e s t - b e d f o rs t u d y f r o mt h et e s tw ec a nk t l o wt h ei n n u e n c ef h c t o r s ：b o xo u t l e td i m e n s i o n b o xo b l j q u i t y ，b o x s h a p eu s et h el 2 7 ( 3 ”) o n h o g o n a id e s i g nf o rt h eb e s tu 1 1 i f o n n 吼f i n a l l y ，t h i sa n i c l ec o m p a r e s e m u l a t i o na i l dt e s tr e s u l ta n dk n o w sc o n s j s t e n lv a r i a t j o n a l 订c n db e t w e e nt h e mb yd e ma n a l y s i s t 1 r o u g hc o m p a f a d o na n a l y s i s a n a l y s i n g t h et e s tr e s u l tw e k n o wt h ef k t o rc ( o u t l e t d i m e n s i o n ) ，b ( b o x o b l j q u i t y ) ，i n f l u e n c en o t a b i j i t yt h er e i i a b i l i i yo ft h i sj u d g e m e n ti s9 9p e r c e n t ，h o w e v e l t h ei n n u e n c e o ff a c t o ra ( b o xs h a p e ) i si n 印p a r e n ts ot h a tw ec 明k n o wt h ef a c t o r so fi n f l u e n c et e s to r d e ri s c b a t h i sa 州c i e r e s e a r c hb o x o fs o l i dm a n u r es p r e a d e rf o rh o r z o n t a id i s k t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t a ls t u d yf o re a c hp 猢e t e r o fm a n u r es p r e a d e rb o x ，w eo b t a i nm eb e s tp 叫e c t ，w h i c h e s t a b l i s h e sb a s i sf o rm a 叫f a c t u r eo f m a n u r es d r e a d e l k e yw o r d s ：m a n u r e ，u n i f o r m i t y ，d e m ，d i g i t a ld 器峥 i i 吉林农业大学硕士学位论文 变量施肥机的试验研究 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得吉林农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 芩硬 签字日期：跏年月厅r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解吉林农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意吉林农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 学位沦文作者签名：杏波 导师签名：匀缸 签字开期：。跏，年月矿f 【 签字闩期：一年月( j 7 冉 吉林农业大学硕士学位论文 有机肥撒施机肥箱的仿真分析与试验研究 第一章前言 1 1 研究有机肥撒施机的目的及意义 1 1 1 施用有机肥的目的及意义 八届全国人大四次会议通过的“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标纲要，把实施可 持续发展战略作为实现我国跨世纪建设蓝图的重要措施之一，这是历史的必然选择。 丌发利用有机肥料，既关系到我国农业的持续发展，又关系到城乡环境的改善，因此 应该引起足够的重视。 我国是世界上使用有机肥料最早的国家，早在3 0 0 0 年前，我们的祖先就已经施 用有机肥料，为土壤永种不衰、永续利用作出了重要贡献。在发展高产、优质、高效 农业的今天，现代农民讲求经济效益，不再不计工本地挖河泥、拆土炕，不再搞粪土 搬家，普遍使用了养分高、见效快、增产效果显著的无机化肥。无机化肥在农作物增 产中所起的作用占4 0 左右。但是，无机化肥施入土壤后，由于化肥自身的性能和 土壤条件等因素的制约，无机化肥对当季作物来讲，利用率较低。我国对含氮、磷、 钾肥料使用量较大，但是，氮肥当季利用率只有3 0 3 5 ，磷肥的利用率只有2 0 3 0 ，钾肥则为3 5 4 0 。化肥利用率低，不仅造成化肥的大量浪费，而且 造成土壤性质恶化和环境的严重污染，从而给生态环境带来不良影响。据联合国粮农 组织( f a o ) 的报告，造成发展中国家环境问题的主要原因是农药和化学肥料使用量 的大量增加。在农业生产中，由于对农药和化肥的依赖性的日益增强，不仅破坏了土 壤的理化性质，而且污染了地下水，进而给人类带来严重危害。因此怎样减少化学肥 料的使用，如何改善土壤理化性质、提高土壤肥力和坚持对土壤的可持续开发和利用 是摆在我们面前的一个重要课题n ，。 有关专家指出，近十年我国化肥用量增加了近1 倍，而粮食增产不到l o ，原 因是旌用的化肥中有5 0 甚至5 0 以上没发挥肥效，也就是说，有一半化肥是白白扔 进地里去了。为此，近些年来，世界各国在研制开发肥料新品种、组织生产和使用肥 料时都把能否提高化肥的利用率、减少损失作为工作的重点。据2 0 0 1 年8 月在北京 召开的第1 2 届世界肥料大会动态表明，西欧、北美、日本等发达国家不再以粮食增 产作为粮食生产的主要目的，而是以提高作物品质为重中之重。 我国是一个蔬菜大国。蔬菜是人们日常生活中不可缺少的副食品，它为人体提供 了多种维生素、矿物质和纤维素。但是，近年来，随着我国蔬菜种植面积的不断扩大， 产量不断提高的同时，又面临一一系列的难题，如：市场供过于求和随着化学肥料特别 吉林农业大学硕士学位论丈 有机肥撒施机肥箱的仿真分析与试验研究 是氮肥的大量使用，蔬菜富集较多硝酸盐，使其营养品质和口感都有所下降，从而不 能满足人们追求营养丰富、美味可口、无公害膳食的消费需求等。尤其是蔬菜中的亚 硝酸盐等物质含量超标问题十分普遍，上海、广州等大城市部分蔬菜中硝酸盐的含量 超标5 8 倍，消费者食用韭菜等蔬菜及瓜果导致中毒事件屡屡发生。因此要解决蔬 菜生产中的问题，只有通过推行无公害、绿色蔬菜生产，才能优化、提高蔬菜品质， 保障消费者身体健康，保护生态环境。近几年我国无公害、绿色蔬菜生产面积迅速增 加，得到认证的绿色蔬菜产品逐年增多。随着社会发展，人们生活水平不断提高，无 公害、绿色蔬菜将成为今后蔬菜生产的主方向。目前，一些发达国家人们的饮食结构 已逐步向保健型过渡，美国和欧洲各国正在迅速调整饮食结构，由过去以肉食为主转 化为素荤搭配，表明蔬菜对人类健康的作用是其他任何食品都不可代替的”1 。因此， 全世界蔬菜年贸易额不断增加。我国是世界上蔬菜种类最多、种植面积最大的国家， 加之我国自然条件优越，劳动力资源丰富，蔬菜生产成本较低，国内菜价仅为国外的 1 5 1 8 ，因此有较强的竞争力，但我国蔬菜与国际市场对蔬菜的高档化和无害化的 要求尚有很大差距。为了解决这一问题，在种植环节中，农药应使用低毒、低残留的， 在旅肥方面应使用有机肥。这样既能使作物充分吸收利用而又无不良影响。 我国是农业大国，由于生产生活水平的不断提高，各种废弃物的排放量也日益增 多。据统计，我国目前有机固体废弃物中占重要地位的是畜禽粪便( 每年约2 6 亿吨) 与农作物秸秆( 每年约6 亿吨) 。8 0 年代以来，随着我国畜牧业生产集约化、商品化 程度的提高和农村改革对劳动力结构带来的变化，使得畜禽粪便的产出量急剧扩大， 而且畜牧场的兴建由农牧区向城市、工厂区集中，规模由小型向大型发展，畜禽产生 的大量粪便，因未及时处理与合理利用，导致的环境污染，又被称为“畜产公害”“”， 成为阻碍养殖业持续稳定发展的重要因素。然而对于农业生产来说，无论过去、现在 和将来，畜禽粪便都是一种优质的有机肥源”“。由于农业、畜牧业的发展，丰富的 有机肥肥源如弃之不用，更多地依靠化肥增产，不仅增加粮食生产成本，而且浪费肥 料资源，造成环境污染，妨碍卫生，影响人类健康。目前，我国农业耕地中8 0 缺 氮，5 0 缺磷，3 0 缺钾8 。而在每年产生的2 7 亿吨畜禽粪便中，n 、p 、k 的总贮 量约为6 3 3 1 0 7 吨，相当于4 9 3 1 0 7 吨的尿素，l - 1 9 4 1 0 8 吨过磷酸钙和3 3 8 1 0 7 吨的氯化钾“。而且，从我国的肥料投入看，氮主要靠化肥，磷是平分秋色，而 钾则主要靠有机肥提供。从产投平衡来看，8 0 年代后，钾的亏缺严重，估计全国亏 缺6 0 0 万吨。另外有机肥中还食有多种矿质养分和大量有机质及有益微生物，在改良 土壤、提高土壤肥力上是任何单价化肥所不能代替的。为此我国农业专家和有识之士 积极倡导减少化肥投入，增施有机肥。进而建立生态效益型农业，走可持续发展的道 路。 吉林农业大学硕士学位论文 有机肥撒施机肥箱的仿真分析与试验研究 1 1 2 有机肥的作用 1 旗用有机肥可提高化肥的利用率 单纯使用氮肥，由于挥发、淋失、径流等原因，氮肥的利用率只有3 0 5 0 ， 且造成地下水污染，而施用有机肥后，可提高氮肥的利用率。 无机磷在土壤中容易产生不溶性化合物，即所谓磷的固定，因此，磷的当季利用 率仅8 2 0 。而施用有机肥后，有机酸可与钙、镁、铁、铬等金属元素形成稳定 的络和物，从而减少了磷的固定，有利于作物对磷的吸收，可明显提高磷的利用率。 2 施用有机肥可以改良土壤 利用细菌将纤维素和木质素以及农业废弃物和畜禽粪便分解后，有利于有机质和 微量元素回归土壤，能够促进土壤团粒结构的形成，使土壤变得疏松、绵软，有利于 保肥、保水、通气和促进根部发展，减少壤板结；同时又使微生物的活动能力得到 增强，为农作物提供合理的生长环境。 3 施用有机肥能提高作物产量及品质 由于国民经济的发展，人民对食品的质量要求越来越高。市场上优质食品和劣质 食品的价格差越来越大，迫使生产者选择优质品种进行生产。但优质品种在相同的环 境条件下不一定生产出优质的产品来。除了土壤本身的性质、水质、气候等自然环境 外，不进行平衡施肥也是引起品质退化的重要原因。施用有机肥可减少化肥施入量， 相应地减少了农产品中硝酸盐的含量。试验表明，生物有机肥可使蔬菜硝酸赫含量平 均降低4 8 3 8 7 ，7 1 ，氮、磷、钾含量提高5 2 0 ，维生素c 增加，总酸含 量降低，还原糖增加，糖酸比提高，特别是对西红柿、生菜、黄瓜等蔬菜能明显改善 生食部分的品味。据试验研究“，科学施用有机肥不仅能提高作物产量，而且能改善 营养品质、食品品质、外观品质。 4 施用有机肥可以降低环境污染 有机肥在生产过程中基本不存在环境污染，而是对废弃有机物再利用，有利于环 境保护。随着畜禽数量的增多，其产生的畜禽废弃物和粪尿数量可观，不仅会对周围 大气和土壤造成相应的污染，而且同样地会造成水体污染现象。我国养殖业发展迅猛， 1 9 8 6 年肉类总产量为2 n 2 4 万吨1 ，1 9 9 6 年已达5 9 0 0 多万吨“，成为世界肉类生 产增长最快的国家之一。在我国，1 9 9 9 年我国畜禽粪便达1 9 亿吨，是工业固体废弃 物的2 4 倍，粪便中所含污染物的c o d 达7 1 1 8 万吨，远远超过工业与生活废水的c o d 之和”。所以，在我国发展和利用有机肥对减少环境污染，减轻化肥生产和施用对环 境的压力，具有十分重要的意义。 5 。施用有机肥可以减轻农作物的病害 有机肥在作物根际土壤微生态系统内形成优势种群，抑制其他有害微生物的生长 吉林农业大学硕士学位论文 有机肥撒施机肥箱的仿真分析与试验研究 繁殖，甚至对部分有害病原菌产生抵抗作用，减少了有害微生物的危害机会；有机肥 营养元素全面，作物植株生长健壮，具有怠好的株型和合理的群体，增强了作物的抗 病性，减少病害的发生。如白菜，施用有机肥软腐病发病率仅为2 ，而蔬菜专用肥 发病率为1 7 ；还可降低烤烟的花叶病和黑茎病发病率“。 1 1 3 有机肥的种类 有关人士将有机肥分两大类，即农民自己堆积的农家肥和企业生产的商品肥料【”j 。 1 农家肥 是指就地取材、就地积制而成的一切自然肥料。它由含有大量生物物质、动植物 残体、排泄物、生物废物等积制而成。包括堆肥、沤肥、厮肥、沼气肥、绿肥、作物 秸秆肥、泥肥、饼肥等。 ( 1 ) 堆肥 以各类秸秆、落叶、山青、湖草为主要原料并与人畜粪便和少量泥土混 合堆制经微生物分解而成的一类有机肥料。 ( 2 ) 沤肥所用物料与堆肥基本相同，只是在淹水条件下，经微生物发酵而成的一 类有机肥料。 ( 3 ) 厮肥以猪、牛、马、羊、鸡、鸭等畜禽的粪尿为主与秸秆等垫料堆积并经微 生物作用而成的一类有机肥料。 ( 4 ) 沼气肥在密封的沼气池中，有机物经微生物发酵制取沼气后的副产物。主要 有沼气水肥和沼气渣肥两部分组成。 ( 5 ) 绿肥以新鲜植物体就地翻压、异地施用或经沤、堆后而成的肥料。主要分为 豆科绿肥和非豆科绿肥两大类。 ( 6 ) 作物秸秆肥以麦秸、稻草、玉米秸、豆秸、油菜秸等直接还田的肥料。 ( 7 ) 泥肥以未经污染的河泥、塘泥、沟泥、港泥、湖泥等经微生物分解而成的肥 料。 ( 8 ) 饼肥以各种含油分较多的种子经压榨去油后的残渣制成的肥料，如菜籽饼、 棉籽饼、豆饼、芝麻饼、花生饼、蓖麻饼等。 2 。商品肥料 是以畜禽粪便、城市生活垃圾、农作物秸秆、农产品加工的有机废弃物为原料， 人：亡配以多功能发酵菌剂，通过连续池式好氧发酵技术，达到快速除臭、腐熟、脱水， 再加入功能性微生物菌剂，最终成为高效活性的肥料，这就是通常说的生物有机肥。 本文所要施异j 的是颗粒状生物有机肥。 颗粒生物有机肥的加工工艺如下： 4 吉林农业大学硕士学位论文 有机肥擞施机肥箱的仿真分析与试验研究 有机肥按其积制和开发利用方式的不同，也可划分为农家肥料、农作物秸秆、绿 肥、沼气发酵肥、果渣及菇类废渣、商品有机肥料等。 农家肥在生产和使用的过程中，存在脏、臭、不卫生、养分含量低、肥效慢、体 积大、制作过程花工多、使用不方便等缺点。以农家肥为物质基础的传统农业，是一 种封闭的循环，不从农业以外投入新的物质和能量，不能保证大面积平衡增产和持续 的高产和稳产。生物有机肥与农家肥有质的区别，具体表现：有益微生物差异明显， 生物有机肥含有大量的微生物，施用后能抑制有害微生物的生长，促进作物生长，而 农家肥则是有益和有害微生物共生；其二，肥效有差异，生物有机肥发酵时间短，腐 熟彻底养分损失少，肥效快；其三，生物有机肥安全性好，它在制造过程中基本消灭 了畜禽粪便中原有的对人类和作物有害的虫卵和病原菌；其四，施用生物有机肥，不 会造成作物烧根烧苗现象。 1 1 4 研究有机肥撒施机的意义 1 有机肥撒施机应用可充分利用我国废弃物资源，减少社会对废弃物处理的成本。 2 有机质肥料体积庞大，不易以人工来充分利用，所以必须通过机械的施用以节省 人工及时间，这样才能达到事半功倍的效果。 3 随着畜牧业的快速、规模化发展，畜禽粪便数量越来越多，若没有有效加以充分 处理与利用，日积月累，直接就污染生态环境，所以禽畜粪便等废弃物应再生利用使 其活化回归土壤增加利用价值，如有适当的机具加以利用，可直接提升利用效率达到 物尽其用的目的。 4 我国一般农家在有机质肥料的施用上还停留在人工撒施阶段，相当辛劳，加上农 村青年人口外流、农村人力老化，为了节省农民们在田间施肥作业时劳力的负担，以 达到省时省工的目标并降低生产成本，最佳解决途径应使其机械化。 面对我国加入w t o 给农业带来巨大的机遇和挑战，加速农业调整，实现集约化经 营，不断提高农业生产力，研究开发有机肥机械化撒施技术具有十分重要的意义。并 且我国目前对有机肥处理大多是采用固体堆肥处理，因此进行固体有机肥撤施机的试 验研究是符合我国国情、适应农民需要的。 吉林农业大学硕士学位论文 有机肥擞施机肥箱的仿真分析与试验研究 1 2 国内外有机肥撒施机械发展现状 由于有机肥撒施作业劳动量大，欧美等国在实现农业机械化的早期，就有简易的 畜拉式堆肥撒布机。在日本北海道等地，明治末期就进口使用了美国产的畜拉式堆肥 撒布机。 在日本以牵引式撒施机为主，近年来研制出了适用于水嗍等松软小地块的自走式 撒施机，还出现了能条施腐熟堆肥的条旌机。从草地和大面积旱田到水田、蔬菜、烟 草等小经济作业都使用堆肥撒布机，该机的主要工作部件是撤施机构。七十年代末在 同本较常见的是横轴和竖轴浆叶式两种【1 9 瑚l 。横轴式中分横1 轴、横2 轴、横3 轴 等三种，竖轴式中分竖2 轴和竖4 轴等。这两种类型结构简单，但撒布幅度和载重量 都较小，增加了拖拉机的进地次数从而造成对土壤的压实。为此日本又研制了不降低 撤布精度能适应切形状、性状堆肥，且比老式撒布机具有更宽撒布幅和更好的均匀 性的双圆盘式农家肥撒施机【2 l l ，这种形式的机械几乎不受风力影响，撒布幅宽8 1 0 m 。 欧美发达国家，对畜禽废物的综合利用及处理技术已达到一定水平，主要进行了畜禽 废物管理系统的优化设计，包括粪便收集、存贮、运输、处理和利用等设施的设计， 以及对不同处理方法过程的理论研究。乌克兰在2 0 0 1 年农机产品博览会上推出了横 轴螺旋式和双圆盘式两大类农杌肥撤拖机，如图1 1 、图1 2 。 目前吉林农业大学正在对固体有机肥撒施机进行研究，并已取得一定成果。撒施 部件为螺旋，动力为地轮传动【2 2 j ，如图l 一3 所示。 针对不同的粪肥应采用不同的撒施设备，粪肥撒施机国外已经有了系列产品，可以 对不同形式的粪肥进行撤施。而国内通常的做法是将腐熟好的粪肥用大车运至田间匀 放成小堆，再用锹撒开。也有在大车上随走随撒的。这种方法劳动生产率低，劳动强 度大。 我国对粪肥撒施机的研究刚刚开始。应用有机肥撒施机可以改善劳动者的工作环 境，减轻粪肥撒施作业的劳动强度，提高撒施的均匀度，是实现粮食生产全程机械化， 促进农业生态平衡和农业可持续发展战略的重要内容。 童苎壅些查兰塑主兰堡堡奎 宣垫竺遨苎垫望笪竺堕壅坌堑兰苎壁竺塞 圈1 1 水平双圊盘式撒肥机 f i gl 1t w oa c l i t l i c d i s kf o n 玎s p r e 们e r 图1 3 农家肥撒施机 f i g l 一3 m 明u r es p r c a d e r 1 2 1 固体有机肥撒施机的种类 图1 2 横轴螺旋式撇肥机 f i gl 一2h o r i z o n t a i h e l i xf o r ms p r c a d e r 固体有机肥撒施机的种类很多，其基本工作原理是：有机肥经肥箱底部的输送装 置输送到撒施部件处，由撤施部件撒旎到田问。撒施机上的有机肥的输送装置有两种， 链扳式输送装置和螺旋式输送装置，在实际应用中，链板式输送装置应用的比较广泛。 1 固体有机肥撒施机按照其撤施部件的不同可分为：圆盘式、螺旋式和拨齿式三种， 见图1 1 、图1 2 、图l 一4 。圆盘式撒施部件主要用于大型施肥机，它有排料的均 匀性好，幅宽大，对有机肥的适应性强的特点，但其传动机构复杂；螺旋式撒肥部件 多用于大中型施肥机，其撤施均匀性较好，结构比较简单，功耗小，对有机肥适用性 较好，使用比较广泛；拨齿式撒肥部件多用于小型施肥机，它只将有机肥拨落到田间， 对有机肥的破碎能力差。 2 固体有机肥撒旖机按其工作原理可分为螺旋式和甩链式两种： ( 1 ) 螺旋式有机肥撒施机螺旋式有机肥撤施机的结构特点是由装在车厢式肥料箱底 部的输肥链将整车有机肥缓缓向后移动，喂给撒肥部件进行撒布。撤肥部件包括撤肥 吉林农业大学硕士学位论文 有机肥撒施机肥葙的仿真舟析与试验研究 滚筒、击肥轮、和撒布螺旋。撒肥滚筒的作用是击碎肥料，并将其喂送给撒布螺旋。 击肥轮用来击碎表层有机肥，并将多余的有机肥抛回肥箱中，使排施的有机肥层保持 一定厚度，从而保证撒布均匀。撒布螺旋高速旋转将肥料向后和向左右两侧均匀地抛 撒。 ( 2 ) 甩链式有机肥撤施机甩链式有机肥撒施机采用圆筒形肥箱，筒内有一根纵轴， 轴上交错地固定着若干根端部装有甩锤的甩肥链。工作时，甩链由拖拉机动力输出轴 以2 0 0 3 0 0 r m i n 的速度旋转，破碎有机肥，并将其甩出。 圈1 4 拨齿式撇肥机 f i g 1 4p l e c t n l mf o m ls p r e a d e r 1 2 2 固体有机肥撒施机的一般结构组成 有机肥撤施机主要由肥料箱、输肥装置、抛撒装置、动力传递装置组成。 1 料箱：其形状和尺寸首先取决于肥料的种类和机器的装载量，在选择肥料箱的形状 时重要的是保证在机器装料时全部装满和倒空，不致形成架空和空处。一般设计成角 锥形、锥形、菱形，也有设计成长方形的。机力有机肥的装肥量一般为2 7 m 3 。箱壁 高度应便于装肥。为了便于输肥链向后部送肥，肥箱的宽度由前端向后逐渐增大，一 般后端比前端宽4 0 棚，以减少侧壁的摩擦阻力。 2 输肥装置：安装于肥料箱的底部，用于从肥箱中将一定量的肥料送到撒肥器上。最 常用的是链板式和带式输送器。 3 抛撒装置：安装于肥料箱最后端，用于将输肥装置送来的肥料向后及两侧均匀地抛 撒。常采用横轴螺旋式、竖轴浆叶式和水平圆盘式。螺旋式中撒布螺旋面往往制成左 旋和右旋各半对称配置，以便撒布均匀并扩大向两侧撒布的宽度。 4 动力传递装置：其动力一般是以动力输出轴为动力来源，经由万向接头传至底盘下 方主轴，再带动输肥链将有机质肥料送向后方，利用转盘藉离心力将有机质肥料水平 撒出，完成施肥作业。 吉林农业大学硕士学位论文 有机肥撤施机肥箱的仿真分析与试验研究 1 3 本文研究的内容 本文主要是对有机肥撒施机的肥箱进行试验研究，通过对肥箱各个参数的试验， 优化出一组最优的参数组合，以确保有机肥排料的均匀性，为有机肥撒施机的研制打 好基础。 本论文主要研究的内容包括： 1 对有机肥的物理的物理参数( 有机肥的千粒重、密度、摩擦角等) 进行测定。 2 对影响有机肥撤施机肥箱排料的各个参数进行理论分析。 3 设计有机肥肥箱排料试验台。 4 初步试验，为计算机仿真模拟提供必要的参数。 5 利用离散元法对肥箱排料过程进行仿真模拟。 6 利用正交试验对有机肥肥箱的各参数进行优选，得出最优的参数组合。 7 将仿真值与试验值进行比较。 吉林农业大学硕士学位论文 有机肥擞施机肥齄的仿真分析与试验研完 第二章有机肥撒施机肥箱设计与理论分析 用离散元法分析散粒物料与农机工作部件的接触作用和散粒物料的流动过程时， 必须详细了解散粒物料的各种物理机械特性，其中包括：散粒物料的形状和几何尺寸、 密度、刚度系数、摩擦系数等口”。 到目前为止，已对许多农业散粒物料的物理机械特性进行了研究，如m o y a 【2 4 1 对 大麦、油菜籽、向同葵等表面粘性、内摩擦角、泊松比、比重进行测试研究：m 0 1 e n d a 【2 5 对玉米粉、大豆粉的堆积密度、可压缩性、休止角、泊松比的研究；m o l e n d a 2 6 分别 用剪切装置与倾斜工作台法对小麦与镀锌铁问的摩擦系数进行了研究，并考虑了载 荷、接触表面的滑动速度、湿度的影响；y a n g f 2 7 对不同种类谷物及其尺寸、下落高度 和碰撞钢盘角度对谷物反弹运动的影响进行了研究；文献【2 8 q 1 】分别就油豆、蝉豆、 咖啡豆的三维尺寸、等效直径、球形率等进行了研究；文献【3 2 3 8 l 研究了各种因素对 摩擦系数的影响。 本文以富田公司生物有机肥为试验研究对象，对其尺寸、千粒重、密度、摩擦系 数进行测试研究，为第三章的仿真分析提供合理的参考依据。 2 1 有机肥的物理参数的测定 2 1 1 千粒重的测定 在离散元法分析中赋予散体颗粒质量，因此必需知道有机肥的质量。为此分别从 购得的有机肥中分三次随机取出1 0 0 0 粒有机肥，用精确到0 1 9 的电子秤进行测量， 获取有机肥的千粒重。三次测量结果分别为：8 4 2 9 、8 5 6 9 、8 4 8 9 ，由此可知该有 机肥的千粒重的平均值为8 4 9 9 。 2 1 2 颗粒尺寸的测定 实际生产过程中所处理的有机肥是由许多粒径大小不一的颗粒组成的分散系统， 所以本试验采用颗粒群的平均径。测量有机肥尺寸的方法很多，其中最常用的一种方 法就是筛分法，用一套筛孔由大到小的标准筛，按顺序叠置在一起将被测定的有机肥 进行筛分，则肥料将按尺寸大小，由上而下按顺序落于各层筛面上，对任一筛子上的 肥料，如该筛的筛孔尺寸为d 2 ，上一层筛子的筛孔为d l ，则该号筛子上的肥料算术 平均粒径为“+ 口么。本试验采用工业上常用的震动筛对有机肥进行筛分，由此方法 所测得的肥料的粒径为3 2 m m 。 吉林农业大学硕士学位论文 有机肥撤施机肥辅的仿真分析与试验研究 2 1 3 密度的测定 密度有真实密度与堆积密度之分。 1 真实密度的测定 密度是最常用的基本的物理参数之一，其定义为单位体积的质量。而肥料之间不 可避免的存在有空隙，计算肥料体积时必须将空隙所占据的体积除掉，所谓肥料的真 实密度是指单位体积内净颗粒所具有的质量。 肥料的真实密度以p 表示， 肥料真实密度p = 肥料质量 面礓羁孺预 它与肥料真重度有如下关系：，= 偌 y 定义为单位体积内净肥料所具有的重量。本试验是采用量程为5 0 m l 的量简对 有机肥进行测量，具体方法是先把一定量的水注入量筒内，记下此时的刻度值，然后 将一定质量的有机肥放入量筒中，记下刻度值，用此时的刻度值减去之前记下的水的 刻度值即为有机肥的真实体积值，再用有机肥的质量除以此真实体积即为该有机肥的 真实密度值。重复三次测量数值如表2 一l 。 表2 1有机肥真实密度的试验数据表 ! ! ! ! ! ：二! ：! 塑! ：2 曼! 巴竺皇! ! 墅! 垡竺! ! ! ! 生! ! 生! 呈翌竺坐 质量( e ) 真实体积抽i )真实密度( g 向i ) 因此有机肥的真实密度的平均值为1 2 9 9 9 m l 。 2 堆积密度的测定 堆积密度以p 表示，它是按肥料的堆积体积计算的密度。肥料的堆积体积包括肥 料之问空隙体积。因此堆积密度恒小于真实密度。堆积密度不是物料固有的特性，它 与粒径分布和测定条件有关。 肥料堆积密度p = 丽淼 本试验是将有机肥装入体积为l o o m l 的三个小盒内，之后分别称量出三个小盒内 的有机肥的质量，再根据公式求出其堆积密度，测量数值如表2 2 。 吉林农业大学硕士学位论文 有机肥撒施机肥箱的仿真分析与试验研究 表2 2 有机肥堆积密度的试验数据表 一一 ! ! ! ! ! ! = ! ：! 生! ：! ! ! 竺! 坐型! 苎! ! ! ! ! 翌：! 苎! ! ! ! ：i 堡! ! 竺! ! ：罂 由此铡得有机肥的堆积密度的平均值为o 5 8 1 m l 。 2 1 4 摩擦角的；9 1 i | 定 常用的摩擦角有休止角、内摩擦角、壁面摩擦角。 1 休止角的测定 休止角( 又称堆积角、安息角) m 是指肥料通过小孔连续地散落到平面上时，堆 积成地锥体母线与水平面底部直径的夹角。它与肥料的尺寸、形状、湿度、排列方向 等都有关。粒径越小的肥料，休止角越大，这是因为微细粒子间相互间的粘附性较大。 若对肥料进行振动，则休止角将减小，流动炷增加。休止角愈大的肥料，内摩擦力愈 大，散落能力愈小。休止角常用来衡量和评价肥料的流动性，因此往往将该角度视作 肥料的“粘度”。图2 1 是测定休止角的方法。由此方法重复三次测得的有机月e 的 休止角分别为5 5 0 、4 8 0 、5 0 0 ，因此有机肥的休止角的平均值为5 l 。 围2 1 休止角的测法 f 喀2 1n e m s u r em 吐h o do f c s ea n d o 2 内摩擦角的测定 内摩擦角p 是肥料内部沿某一断面切断时，反映抗剪强度的一个重要参数。当 肥料层受力小时，肥料层外观上不产生什么变化。这是由于摩擦力具有相对性，相对 于作用力的大小产生了克服它的应力，这两种力是保持平衡的。可是，当作用力的大 小达到某极限值时，肥料层将突然出现崩坏，该崩坏前后的状态称为极限应力状态。 这一极限应力状态是由一对压应力和切应力组成。换言之，若在肥料层任意面上加一 垂直应力，并逐渐增加该层面的切应力，则当切应力达到某一值时，肥料层将沿此面 滑移。摩擦角即表示该极限应力状态下剪应力与垂直应力的关系，它可用莫尔圆和破 吉林农业大学硕士学位论文有机肥撒施机肥箱的仿真分析与试验研究 坏包络线来表示【3 。 内摩擦角的测定方法有流出法、抽棒法、活塞法、漫流法、压力法、剪切盒法等 多种，其中最主要的剪切盒法【4 。下面就详细介绍一下用剪切盒法测内摩擦角。用如 图2 2 所示的剪切装置进行测定。把剪切环与固定环重叠起来，将肥料填充其中， 在铅垂压力n 的作用下，再由剪切环施加剪切力，逐步加大剪切力，当达到极限应 力状态时，重叠的环错动，测定错动瞬时的剪切力p 。设肥料的剪切面积为a ，则得 肥料的抗剪力等于内摩擦力与粘聚力之和，即： p = 州+ c a 式中f 肥料的内摩擦系数，f = t a n 妒 c 一单位粘聚力，即发生在单位剪切面积上的粘浆力。 试验时，先使载荷n 不变，逐渐增大剪切力，测出剪切环移动时的剪切力p ；改 变n 值，测出不同载荷n 时的剪切力p ，以铅垂压力n 为横坐标、水平剪切力p 为 纵坐标，作p _ n 曲线，则该曲线与横坐标n 的夹角即为肥料的内摩擦角妒，在纵 坐标上的截距即为肥料的粘聚力c a 。 因为肥料间的啮合作用